Transmiss˜ ao de v´ıdeo DVD/HD Wireless
Prepara¸c˜ ao da Disserta¸c˜ ao - Relat´ orio final
Ricardo Miguel Almeida Salgado
Mestrado em Engenharia Electrot´ ecnica e de Computadores Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto
Porto, Fevereiro de 2008
Conte´ udo
1 Objectivos da Disserta¸c˜ao 1
2 Introdu¸c˜ao 2
3 Alternativas tecnol´ogicas 4
3.1 Aquisi¸c˜ao de dados . . . 4
3.2 Transmiss˜ao de dados . . . 6
3.2.1 UWB . . . 6
3.2.2 IEEE 802.11 . . . 11
3.2.3 Resumo . . . 13
3.3 Codecs . . . 13
3.3.1 Codecs sem perdas . . . 15
3.3.2 Codecs com perdas . . . 16
3.3.3 Resumo . . . 18
3.4 Recep¸c˜ao de dados . . . 18
3.5 Protocolos de comunica¸c˜ao . . . 18
4 Equipamento Necess´ario 21
5 Conclus˜ao 23
6 Bibliografia 24
7 Anexos 26
1 Objectivos da Disserta¸ c˜ ao
O objectivo deste trabalho ´e o levantamento das solu¸c˜oes existentes no mercado para a transmiss˜ao de dados entre dispositivos de captura de v´ıdeo e um computador. Essa transmiss˜ao dever´a ser efectuada com base num pro- tocolo sem fios, em que os dispositivos envolvidos poder˜ao estar distanciados at´e 60 metros. Pretende-se obter um sinal de v´ıdeo com uma elevada quali- dade de imagem, equiparado `a qualidade obtida atrav´es da reprodu¸c˜ao de um DVD (Digital Versatable Disc) ou do formato HD ( High Defenition). Ser´a ainda estudada a melhor forma de transmiss˜ao dos dados provenientes da cap- tura de v´ıdeo, verificando quais as vantagens, ou desvantagens da codifica¸c˜ao do sinal. Um aspecto central deste estudo ser´a a rela¸c˜ao qualidade/pre¸co obtida.
Neste trabalho abordar-se-´a os standards da tecnologia envolvida, e as tendˆencias para os pr´oximos anos.
2 Introdu¸ c˜ ao
Para satisfazer os objectivos pretendidos o sistema a desenvolver dever´a englobar solu¸c˜oes para a captura de v´ıdeo, a transmiss˜ao de dados, recep¸c˜ao e software de tratamento dos dados recebidos assim como interface com o utilizador.
A aquisi¸c˜ao de v´ıdeo ir´a ser efectuada utilizando dispositivos de captura de v´ıdeo que ter˜ao interfaces de comunica¸c˜oes variadas. Os dispositivos de captura de v´ıdeo possuem geralmente interface de sa´ıda digitais como por ex- emplo liga¸c˜ao USB(Universal Serial Bus ), Firewire, HDMI(High-Definition Multimedia Interface) ou sa´ıda de sinal de v´ıdeo anal´ogica. O sistema ser´a adapt´avel a todos estes tipos de interfaces e ser´a capaz de interagir com as mesmas e com o dispositivo de transmiss˜ao de dados.
A transmiss˜ao de dados ir´a utilizar um protocolo de comunica¸c˜ao que satisfa¸ca os parˆametros requeridos e tendˆencias futuras, e ser´a estudada qual ser´a a melhor forma de transmiss˜ao de dados. Essa transmiss˜ao ser´a deline- ada pela interface existente no dispositivo de captura de v´ıdeo, no caso de se tratar de um sinal digital poder´a optar-se pela transferˆencia dos dados em sequˆencia de bits, ou por outro lado na codifica¸c˜ao e transmiss˜ao dos dados.
Se o sinal fornecido for um sinal de v´ıdeo anal´ogico ter´a que se proceder `a digitaliza¸c˜ao do mesmo e posteriormente efectuar-se a transmiss˜ao dos dados tendo em conta o referido anteriormente. Tendo em conta estas especifi- ca¸c˜oes, ir´a ser estudado qual o melhor protocolo de comunica¸c˜ao, quais os tipos de codecs existentes e qual deles ser´a mais adequado a cada um dos diferentes tipos de transmiss˜ao.
A recep¸c˜ao dos dados ser´a efectuada recorrendo a um computador, os dados recebidos ser˜ao tratados tendo em conta o formato de transmiss˜ao que foi utilizado e as defini¸c˜oes escolhidas pelo utilizador. Estes dados poder˜ao ser
transmitidos para uma interface gr´afica e/ou guardados num suporte digital.
O sinal de v´ıdeo recebido pode ser armazenado em diferentes resolu¸c˜oes e em diferentes formatos. Estas funcionalidades colocam em foco a adaptabilidade do sistema ao utilizador e a capacidade de transmitir e armazenar dados recebidos em diferentes resolu¸c˜oes e formatos. Apesar da possibilidade de escolha por parte do utilizador, ser´a estudado qual destes ser´a o melhor e o mais compat´ıvel com os sistemas de transmiss˜ao estudados.
3 Alternativas tecnol´ ogicas
Neste ponto ser˜ao focadas todas as tecnologias importantes para a con- cretiza¸c˜ao deste projecto, mais especificamente, as tecnologias de aquisi¸c˜ao, transmiss˜ao e tratamento de dados. Al´em disso ser´a estudado todo o software necess´ario a interliga¸c˜ao das tecnologias anteriores.
3.1 Aquisi¸ c˜ ao de dados
A aquisi¸c˜ao de dados, neste caso ´audio e v´ıdeo, ser´a efectuada por um dispositivo de captura de v´ıdeo e ´audio, uma cˆamara. Este projecto prevˆe a captura de imagens numa piscina para posterior avalia¸c˜ao dos atletas ou a transmiss˜ao em tempo real de um evento.
Existem no mercado v´arios dispositivos de captura de v´ıdeo que s˜ao apro- priados a este projecto, dispositivos esses que variam em qualidade e em pre¸co. Tendo em conta as diferentes caracter´ısticas de v´ıdeo existentes, o hardware e m´etodos de transmiss˜ao de dados, ´e necess´ario ajustar a quali- dade de v´ıdeo escolhida. Existem diferentes resolu¸c˜oes de v´ıdeo e cada tem caracter´ısticas diferentes e d´ebitos diferentes.
Sistema Resolu¸c˜ao Frame-Rate D´ebito
(Sem Compress˜ao) (fps) (M/s)
525 NTSC 720 x 486 29.97 27
625 PAL 720 x 576 25 26
720p HDTV 1280 x 720 29.97 140
1080i 1080p HDTV 1920 x 1080 24 127 1080i 1080p HDTV 1920 x 1080 25 132 1080i 1080p HDTV 1920 x 1080 29.97 158
No mercado existem v´arios dispositivos de captura que s˜ao capazes de capturar a imagem e armazen´a-la com estas caracter´ısticas, e algumas trans- mitem em tempo real a captura via digital ou anal´ogica. Tem que se ter em considera¸c˜ao que o sistema dever´a ser capaz de capturar e transmitir em tempo real imagens com resolu¸c˜oes de 720p e 1080i/p sem qualquer tipo de compress˜ao. Esta funcionalidade necessita de um alto d´ebito bin´ario que poder´a n˜ao ser suportado pela tecnologia escolhida, podendo-se optar pela utiliza¸c˜ao de uma sa´ıda comprimida tendo em conta os codecs existentes e discutidos mais `a frente. As diferen¸cas entre as resolu¸c˜oes 1080i e 1080p centram-se, na diferen¸ca existente entre elas, na forma de representa¸c˜ao da imagem, o i significa Interlaced Scanning no qual o ecr˜a representa todas as linhas impares numa primeira passagem e as pares na segunda passagem para criar a totalidade da imagem, o p significa Progressive Scanning, que funciona como a resolu¸c˜ao 720p em que a cria¸c˜ao da imagem ´e mais suave e na qual as linhas horizontais s˜ao percorridas progressivamente.
No caso de se optar pela transmiss˜ao da sa´ıda anal´ogica ser´a necess´aria a utiliza¸c˜ao de um conversor A/D, que converter´a o sinal anal´ogico emitido num sinal digital em bin´ario, com uma resolu¸c˜ao que depende do n´umero de n´ıveis de quantifica¸c˜ao, pelo que `a partida ser´a necess´ario optar-se por um n´umero elevado de n´ıveis, para obter melhor qualidade de imagem. O n´umero de n´ıveis ´e dado pelo n´umero de bits de resolu¸c˜ao do conversor. Esse n´umero de n´ıveis de quantifica¸c˜ao ´e obtido pela seguinte f´ormula:
Q= δ
2M (1)
em que oδ ´e diferen¸ca entre os picos do sinal e o M ´e n´umero de bits, e al´em disso, segundo o crit´erio de Nyquist, o conversor dever´a ter uma frequˆencia de amostragem duas vezes superior a frequˆencia de amostragem do sinal anal´ogico.
Ao se optar pela transmiss˜ao do sinal digital, as imagens poder˜ao ser transmitidas comprimidas ou sem compress˜ao tendo em conta a resolu¸c˜ao escolhida e o modo de transmiss˜ao existente, e ser´a transmitido pelo mesmo terminal f´ısico que transmitir´a o sinal proveniente do conversor A/D ao se utilizar a sa´ıda anal´ogica.
3.2 Transmiss˜ ao de dados
Nesta sec¸c˜ao ser˜ao abordadas algumas das tecnologias existentes de trans- miss˜ao de dados por wireless tendo em conta os parˆametros pedidos pelo projecto que levaram ao estudo de tecnologias de alto d´ebito bin´ario como o UWB, as tecnologias baseadas no protocolo IEEE 802.11 e descartando `a partida algumas tecnologias como por exemplo o Bluetooth.
3.2.1 UWB
A tecnologia UWB (Ultra-Wideband)´e uma tecnologia Wireless de trans- miss˜ao de dados por r´adio frequˆencia. Esta tecnologia baseia-se nosstandards WiMedia e caracteriza-se como sendo uma tecnologia de alto d´ebito, baixo consumo, baixo alcance tornando-a indicada para formar redes dom´esticas, interligando dispositivos de ´audio, v´ıdeo e outros de grande d´ebito.
Os sistemas UWB s˜ao diferentes dos sistemas convencionais porque n˜ao se baseiam num sistema de portadoras, s˜ao constitu´ıdos por um ou mais impulsivos de ondas r´adio, capazes de transmitir e receber impulsos muito curtos, de dura¸c˜ao inferior a 1 ns.
Devido `a curt´ıssima dura¸c˜ao dos impulsos e `a potˆencia de transmiss˜ao ser espalhada ao longo de um grande espectro de frequˆencias, este sistema ´e um sistema de baixa densidade espectral de potˆencia.
A densidade espectral de potˆencia (PSD- Power Spectrum Density) define- se pela seguinte f´ormula matem´atica:
P SD= P
B (2)
na qual P ´e a potˆencia transmitida em Watts e B a largura de banda utilizada (Hz).
Normalmente os sistemas baseiam-se em transferˆencias de dados uti- lizando uma banda de transmiss˜ao estreita enquanto o sistema UWB usa uma banda de transmiss˜ao muito mais alargada, e sendo a potˆencia m´edia de transmiss˜ao distribu´ıda por essa banda, permite que o UWB obtenha uma baixa densidade espectral de potˆencia, o que tamb´em ´e um ponto positivo porque minimiza a interferˆencia causada nos sistemas de banda estreita pelo sistema UWB, e na figura 1 pode-se verificar esta afirma¸c˜ao.
Em seguida encontra-se uma tabela comparativa entre diferentes tecnolo- gias de transmiss˜ao sem fios, na qual se indica a potˆencia de transmiss˜ao, a banda utilizada e o PSD classificando cada uma das tecnologias.
Potˆencia de Largura PSD
Sistema Transmiss˜ao de Banda ( M hzW ) Classifica¸c˜ao
R´adio 50 Kw 75 KHz 666600 Banda Estreita
Televis˜ao 100 Kw 6 MHz 16700 Banda Estreita Tecnologia 2G 10 mW 8.33 KHz 1.2 Banda Estreita
802.11a 1 W 20 MHz 0.05 Banda Larga
UWB 1 mW 7.5 GHz 0.013 Banda Ultra Larga
Esta tecnologia est´a neste momento em desenvolvimento, n˜ao existe um padr˜ao ou um standard fixo, e v´arias empresas est˜ao a desenvolver esta tecnologia, mas com algumas caracter´ısticas definidas, impostas pelo FCC (Federal Communications Commission ) nos Estados Unidos e pela ITU-R
Figura 1: Gr´afico que demonstra potˆencia em fun¸c˜ao da frequˆencia (International Communicatio Unnion- Radiocommunication Center), como a largura de banda em que esta tecnologia pode operar, dos 3.1 GHz at´e aos 10.6 GHz em recintos fechados, e a potˆencia, que est´a limitada a -41 dBm/M Hz.
O sinal UWB foi inicialmente modulado recorrendo a t´ecnicas de modu- la¸c˜ao tradicionais, como a modula¸c˜ao por posi¸c˜ao de pulso PPM e a modu- la¸c˜ao por amplitude de pulso PAM. Mais tarde surgiram novas t´ecnicas de modula¸c˜ao como modula¸c˜ao por formato de pulso PSM bin´ario ou quater- n´ario e ainda modula¸c˜ao por divis˜ao de bandas PBM.
O modo de transmiss˜ao entre o emissor e o receptor pode ser em sin- croniza¸c˜ao perfeita, em presen¸ca de ru´ıdo branco gaussiano, sob a interferˆen- cia de multi-percursos e em sincroniza¸c˜ao imperfeita. Todos estes modos de
transmiss˜ao obtˆem resultados diferentes, alguns mais favor´aveis a determi- nadas situa¸c˜oes e outros a situa¸c˜oes complementares. Em seguida apresenta- se um esquema poss´ıvel para um sistema UWB b´asico.
Figura 2: UWB Receiver Transmiter
Esta tecnologia tem tamb´em uma excelente capacidade espacial, esta ca- pacidade ´e medida atrav´es da divis˜ao da taxa m´axima de dados (bit/s) pela
´
area (m2) em que o sistema pode transmitir. A capacidade espectral ´e calcu- lada atrav´es da divis˜ao da taxa m´axima de dados pela largura de banda (Hz).
Em seguida encontra-se uma tabela comparativa, entre diferentes tecnologias, em rela¸c˜ao a estes dois parˆametros.
D´ebito de Cap. Espacial Cap. Espectral Sistema Transmiss˜ao (M b/s) (Kbps/m2) (Kbps/Hz)
UWB 100 318.3 0.013
IEEE 802.11a 54 6.9 2.7
Bluetooth 1 3.2 0.012
IEEE 802.11b 11 0.350 0.1317
No que toca ao d´ebito, esta tecnologia pode-se caracterizar como a tec- nologia similar a USB, mas Wireless, porque consegue obter d´ebitos de 480 Mb/s em curtas distˆancias, mas com o aumento da distˆancia esta tecnologia perde capacidade de transferˆencia, em que essa perda ´e tal, que a 10 metros de distˆancia a capacidade de transferˆencia j´a desceu para cerca de 100 Mb/s.
Podemos ver na tabela seguinte uma compara¸c˜ao entre tecnologias.
D´ebito Bin´ario Standard (Mb/s)
480 UWB, USB 2.0
200 UWB ( 4 metros) 110 UWB (10 metros)
90 Ethernet 100
54 802.11a
20 802.11g
11 802.11b
10 Ethernet 10
1 Bluetooth
Esta tecnologia em termos de consumo de energia pode-se considerar como ultra Low-Power, como foi dito anteriormente e pode ser confirmado pelas caracter´ısticas do sistema, e a comunidade internacional tem como objectivo que estes sistemas tenham um consumo de apenas 0,1 W. Em seguida ap- resento uma tabela comparativa dos consumos de diversos componentes de diversas tecnologias.
Aplica¸c˜ao/ Tecnologia Consumo(mW)
802.11a 1500-2000
Telem´ovel 200
Conversor A/D de 12-bit Cˆamara digital 150
UWB 100
Display TFT a cores de Telem´ovel 75
Esta tecnologia ´e, apesar de tudo, uma tecnologia pouco complexa e logo com um baixo custo associado. Os sistemas UWB podem ser constru´ıdos numa base quase totalmente digital e com poucos componentes de r´adio frequˆencia. Com a inten¸c˜ao de aumentar o d´ebito de transferˆencia de dados, estes sistemas tˆem vindo a aumentar a complexidade mas com a produ¸c˜ao em massa o pre¸co destes ser´a muito reduzido.
3.2.2 IEEE 802.11
Outra tecnologia de transmiss˜ao de dados ´e a Wi-Fi baseada em pro- tocolos IEEE 802.11 que tem v´arias variantes. O 802.11b e g s˜ao os mais usuais e os que neste momento est˜ao a ser usados em maior quantidade em todo o planeta. O Wi-Fi ´e uma tecnologia que neste momento est´a a ser utilizada nas redes locais para garantir mobilidade, ´e utilizada por computa- dores e tamb´em telem´oveis/PDA’s, caracterizando-se como uma tecnologia de d´ebitos bin´arios razo´aveis e consumo relativamente reduzido.
O Wi-Fi ´e um sistema que se baseia em portadoras e tem como frequˆencia de transmiss˜ao os 2,4 GHz, com um d´ebito bin´ario de 54 Mbit/s no caso do 802.11g, o protocolo mais utilizado. O ´ultimo protocolo aprovado foi o 802.11n e tem uma t´ecnica de modula¸c˜ao diferente dos outros protocolos e usa m´ultiplas antenas para transmitir e receber dados de forma a melhorar os d´ebitos, atingindo um d´ebito bin´ario m´aximo de 248 Mbit/s prevendo-se
que possa ainda superar substancialmente esse valor.
Em rela¸c˜ao a aspectos de consumo esta tecnologia ter´a aproximadamente o mesmo consumo que a referenciada acima para o protocolo 802.11a e o seu custo muito superior a tecnologia UWB.
Quanto ao alcance (aproximadamente 70 metros) e principalmente de d´ebito, este protocolo melhorou muito em rela¸c˜ao aos protocolos anteriores.
Neste preciso momento este protocolo ainda se encontra em fase de melho- ramentos, apesar de j´a ter sido aprovado, ainda existem empresas a melhorar as especifica¸c˜oes deste protocolo. Essas melhorias s˜ao principalmente cau- sadas pela tecnologia MIMO (Multiple Input Multiple Output). A tecnologia MIMO baseia-se na no uso de antenas m´ultiplas tanto no emissor como no receptor. Com m´ultiplas antenas explora-se a dimens˜ao espacial para in- crementar as performances da liga¸c˜ao. Este sistema baseia-se na divis˜ao de um sinal de alto d´ebito em v´arios de pequeno d´ebito, que s˜ao transmitidos e na sua recep¸c˜ao reasemblados. Existem ainda v´arias caracter´ısticas desta tecnologia que influenciam a transmiss˜ao, mas o uso desta tecnologia imple- mentada ao protocolo IEEE802.11n levou ao aumento do d´ebito bin´ario e ainda da distˆancia, e conjugando ainda o uso do 4X4 MIMO, este aumento ainda se torna mais not´avel podendo elevar o d´ebito de pico at´e a uns not´aveis 600 Mbps.
Neste momento podemos dizer que esta tecnologia, apesar de n˜ao ser completamente oficializada, j´a se encontra no mercado, e pode-se dizer que
”At 300 feet, 802.11g performance plummets to 1 Mbps. 802.11n networks operate at up to 70 Mbps-70 times faster than 802.11g.” (fonte Broadcom Inc.).
3.2.3 Resumo
Nas tecnologias de transmiss˜ao de dados referidas podem ser utilizadas neste projecto , tendo em conta algumas restri¸c˜oes especificas de cada tec- nologia e os valores existentes nas tabelas s˜ao valores retirados da bibliografia.
Em termos de d´ebitos bin´arios a compara¸c˜ao entre estas tecnologias encontra- se ilustrada na figura seguinte, em que se demonstra as diferen¸cas entre os valores de d´ebito de pico ao longo dos anos da UWB e do IEEE802.11n, demonstrando ainda o valor existente para o Wireless USB.
Figura 3: Compara¸c˜ao de Tecnologias
3.3 Codecs
Neste projecto ser´a necess´ario abordar tamb´em as codifica¸c˜oes de v´ıdeo e ´audio existentes que melhor se poder˜ao incorporar no sistema. Essencial- mente existem dois tipos de codecs (Coding Decoding), os codecs sem perdas e os codecs com perdas. Os codecs com perdas exploram certas caracter´ıs- ticas do sistema visual humano para reduzir o d´ebito bin´ario e o espa¸co de
armazenamento necess´ario para os dados. Dentro destes existem um n´umero incont´avel de tipos de codecs, cada um com diferentes caracter´ısticas que se adaptam melhor a diferentes tipos de circunstˆancias. Estes tipos de codifi- ca¸c˜ao s˜ao baseados em 3 princ´ıpios de redu¸c˜ao de redundˆancia:
1. Redu¸c˜ao de redundˆancia espacial - que se basea na redu¸c˜ao da re- dundˆancia ao longo dos pixels dentro da imagem empregando alguns compressores de dados.
2. Redu¸c˜ao de redundˆancia temporal - reduz-se tendo em conta as semel- han¸cas entre imagens sucessivas codificando apenas as diferen¸cas entre elas.
3. M´etodos estat´ısticos - para diminuir a taxa de bits, m´etodos baseados na codifica¸c˜ao deHuffman e na codifica¸c˜ao aritm´etica usam t´ecnicas de codifica¸c˜ao de tamanho vari´avel para tendo em conta as probabilidades de ocorrˆencias de s´ımbolos dentro dos dados comprimidos.
Existem diferen¸cas entre estes dois tipos de codecs, mas a principal carac- ter´ıstica baseia-se naturalmente no d´ebito necess´ario para cada tipo, podendo- se dizer que os codecs sem perdas compactam 2 a 3 vezes, enquanto os codecs com perdas podem compactar dezenas de vezes o tamanho original. Se os da- dos n˜ao fossem codificados ter´ıamos requisitos de d´ebito transmitido e espa¸co de armazenamento proibitivos, por exemplo um v´ıdeo (320 x 240 pixels) a ser visualizado num televisor RGB a 30 fps(Frames per Second) necessitaria de aproximadamente 7 milh˜oes de bytes por segundo. Durante a disserta¸c˜ao ir´a ser determinado qual destes tipos se enquadrar´a melhor nas especifica¸c˜oes requeridas efectuando alguns testes. Na figura seguinte pode-se observar a evolu¸c˜ao dos standards de codifica¸c˜ao de v´ıdeo dos comit´es ITU-T (ITU-
Telecommunication Standardization Sector) e ISO/IEC (International Orga- nization for Standardization / International Electrotechnical Commission).
A figura seguinte demonstra a evolu¸c˜ao ao longo do tempo dos standards existentes.
Figura 4: Evolu¸c˜ao dos standards dos codecs
Isto n˜ao implica que n˜ao se possa utilizar standards mais antigos, apenas indica evolu¸c˜oes de alguns e inova¸c˜oes em outras ´areas.
3.3.1 Codecs sem perdas
Compress˜ao sem perdas utiliza algoritmos de compress˜ao que permitem obter os dados originais sem perda de informa¸c˜ao. Este tipo de compress˜oes n˜ao ´e apenas usada em v´ıdeo e som, mas em qualquer tipo de dados como texto, imagens e dados comuns.
Os codecs de v´ıdeo existem em menor n´umero que os codecs de ´audio, e devido a grande quantidade de dados envolvida tende-se a optar por codecs
com perdas para facilitar a mobilidade dos dados.
Dentro dos codecs de v´ıdeo existentes destacam-se os seguintes, o MSU Lossless Video Codec que ´e o codec que obt´em a melhor taxa de com- press˜ao dentro deste tipo de codecs, o Huffyuf ´e um codec com uma cod- ifica¸c˜ao r´apida, podendo-se equiparar aos tempos de codifica¸c˜ao com os tem- pos necess´arios para os codecs com perdas, para codificar o mesmo ficheiro, enquanto o Lagarith que n˜ao ´e t˜ao r´apido como o anterior, mas tem uma suporte mais vasto de gamas de cores e utiliza um melhor m´etodo de com- press˜ao. Existem ainda o FFV1, o CorePNG e ainda outros.
No caso de codec de ´audio existem muitos dispon´ıveis devido a grande importˆancia dada pelos utilizadores `a possibilidade de preservar toda a sua biblioteca musical em formatos que, em caso de acidentes, permita reaver a sua biblioteca perdida com a qualidade inicial.
O grande n´umero de codecs n˜ao ser´a totalmente ilustrada, mas apenas al- gumas referˆencias ser˜ao feitas. O FLAC(Free Lossless Audio Codec) destaca- se como um codec muito compat´ıvel e robusto e tendo ainda caracter´ısticas muito similares a todos os outros, o Apple Lossless desenvolvido pela Aplle, o WMA Lossless (Windows Media Audio 9 Lossless) desenvolvido pela Mi- crosoft, o OptimFROG que consegue a maior taxa de compress˜ao de todos os codecs , Monkey’s Audio, LPAC, ALAC e ainda muitos outros.
3.3.2 Codecs com perdas
A compress˜ao com perdas utiliza algoritmos de compress˜ao que con- seguem uma taxa de compress˜ao muito superior `a custa da deteriora¸c˜ao da qualidade. Este tipo de compress˜ao ´e geralmente utilizado no ´audio, v´ıdeo e imagem nos quais a perda de qualidade pode n˜ao ser notada pelo ser humano porque o c´erebro tende a corrigir as falhas em rela¸c˜ao ao original, tendo como
base a experiˆencia passada.
Existem imensos codecs de v´ıdeo dispon´ıveis para utiliza¸c˜ao, e muitos com caracter´ısticas semelhantes e poucos pontos individualizadores que possam levar a um uso preferencial, sendo assim muito dif´ıcil identificar qual o melhor para este projecto. Serve de exemplo o MJPEG (Motion Joint Photographic Experts Group) no qual o v´ıdeo ´e uma sequˆencia de imagens JPEG,o Pixlet criado pela Aplle com o intuito de diminuir o d´ebito necess´ario para se poder visualizar HD(High Definition), o WMV (Windows Media Video) criado para competir com o Real Video baseado no codec H.263 antecessor do H.264. O H.264 foi criado tendo em considera¸c˜ao trˆes aplica¸c˜oes, IP-based streaming, o download deVideo Streams previamente codificados e aplica¸c˜oes de v´ıdeo- conferˆencia. Este protocolo ´e um standard da compress˜ao de v´ıdeo que definiu as bases de todas as evolu¸c˜oes acerca deste tipo de compress˜ao, que ainda est´a em desenvolvimento e do qual foi base do MPEG-4 ASP(Moving Picture Experts Group - Advanced Simple Profile)e do MPEG-4 AVC(Moving Picture Experts Group - Advanced Video Coding). Baseando-se nestes dois tipos de codecs surgiram muitos codecs diferentes, dos quais se podem destacar, no caso do MPEG-4 ASP, Xvid um software livre que compete com o comercial DivX (Digital Video Express), e ainda o Nero Digital e o QuickTime, e no caso do MPEG-4 AVC o Core AVC desenvolvido por uma empresa sendo hoje em dia um dos mais r´apidos codificadores existentes, e o Nero Digital e o QuickTime.
No caso do ´audio, os codec’s existentes n˜ao s˜ao muitos e o aparecimento do MP3 (MPEG-1 Audio Layer 3), que ´e o codec mais utilizado em todo mundo contribui para isso, mas ainda se usam outros codecs como o WMA (Windows Media Audio), o Vorbis que ´e um codec livre e que geralmente esta associado ao pacote Ogg, sendo estes trˆes vocacionados para m´usicas,
existindo tamb´em ainda outros codecs diferentes que s˜ao mais vocacionados para o discurso.
3.3.3 Resumo
Os codecs s˜ao respons´aveis pela diminui¸c˜ao do d´ebito bin´ario necess´ario para a transmiss˜ao de dados entre o dispositivo de captura e o receptor, e os codecs com perdas obtˆem uma compacta¸c˜ao muito superior a compacta¸c˜ao obtida pelos codecs sem perdas, tendo como factor negativo uma pior quali- dade final nos dados.
3.4 Recep¸ c˜ ao de dados
A recep¸c˜ao de dados ser´a influenciada pela escolha da tecnologia de trans- miss˜ao, mas considerando que a recep¸c˜ao dos dados seja feita tendo em conta essa mesma tecnologia tendo capacidade para efectuar o tratamento desses dados, que ser˜ao enviados por USB ou FireWire para o terminal onde se ir´a efectuar o armazenamento, tratamento/edi¸c˜ao e visualiza¸c˜ao dos dados recebidos. Geralmente o dispositivo de captura fornece um software para edi¸c˜ao dos dados, mas existem softwares professionais dispon´ıveis se tal for necess´ario.
3.5 Protocolos de comunica¸ c˜ ao
Ap´os se escolher a tecnologia de transmiss˜ao mais adequada ao projecto e o codec que se ir´a utilizar na codifica¸c˜ao dos dados, ter´a que se escolher o protocolo de transmiss˜ao de dados sobre IP. Os protocolos existentes s˜ao o TCP (Transmission Control Protocol) e o UDP(User Datagram Protocol).
O TCP ´e um protocolo do n´ıvel da camada de transporte do modelo OSI
e ´e o mais utilizado pela maioria das aplica¸c˜oes existentes e tendo como car- acter´ısticas a confiabilidade, a orienta¸c˜ao a conex˜ao, executa liga¸c˜oes ponto a ponto, faz entrega ordenada e controlo de fluxo. O desempenho dos mecan- ismos de controlo de fluxo e de congestionamento do TCP s˜ao influenciados por o valor Bandwitch*Delay, valor esse influenciado pelo RTT (Round Trip Time) e pela largura de banda da liga¸c˜ao, ou seja, este valor vai determinar o m´aximo volume de dados que se podem transmitir, e estes mecanismos atrasam a entrega dos dados e ainda diminuem a quantidade m´axima de da- dos que se pode transmitir. Resumindo ´e um protocolo que garante que os dados enviados chegam ao destino sem perdas, o protocolo estabelece uma liga¸c˜ao entre o emissor e o receptor, transmite os dados e caso exista alguma perda de dados este retransmite esses dados perdidos e no final termina a liga¸c˜ao entre o emissor e o receptor.
O protocolo UDP n˜ao garante a confiabilidade do protocolo TCP, os da- dos podem chegar desordenados, duplicados ou at´e nem chegam. Mas a caracter´ıstica que nos interessa neste protocolo ´e a sua rapidez. Ao inv´es do TCP, que para garantir a entrega dos pacotes utiliza v´arias mensagens entre o emissor e o receptor que tornam a transmiss˜ao lenta, o UDP transmite os dados com rapidez, beneficiando o uso deste protocolo para transmiss˜oes de dados referentes a transmiss˜oes de v´ıdeo em tempo real, onde se deseja ter a menor diferen¸ca temporal entre a altura da captura do v´ıdeo e a sua exibi¸c˜ao no receptor.
Normalmente ´e usado o protocolo UDP para v´ıdeo streaming, e como o UDP n˜ao garante a entrega dos dados, o receptor tem que confiar em protoco- los de camadas superiores `a do protocolo UDP. O RTP (Rela-Time Transport Protocol) e o RTCP(Real-Time Control Protocol) s˜ao exemplos de protocolos num n´ıvel superior ao UDP, que s˜ao desenhados para liga¸c˜ao ponto-a-ponto
e entrega em tempo real de dados de v´ıdeo e voz. O RTP permite a detec¸c˜ao de perda de dados, controla entregas a mais que um destinat´ario, identifica o conte´udo e garante a sua seguran¸ca, mas n˜ao garante qualidade de servi¸co nem entrega confi´avel. O RTCP ´e desenhado para trabalhar em conjunto com o RTP para fornecer feedback `a aplica¸c˜ao acerca da qualidade da entrega dos dados.
4 Equipamento Necess´ ario
Neste projecto ser´a necess´ario um ou mais dispositivos de captura de v´ıdeo e ´audio, um emissor de dados, um receptor de dados e ainda um equipamento que permita armazenamento, tratamento e visualiza¸c˜ao dos dados.
Figura 5: Arquitectura do sistema
Existem in´umeros dispositivos de captura de v´ıdeo no mercado diferenci- ados pelas diferentes caracter´ısticas que possuem e consequentemente difer- entes pre¸cos. Podendo-se considerar dois cen´arios diferentes, que seriam a captura de dados apenas para efeitos de treino dos atletas e a captura para emiss˜ao televisiva do evento desportivo, ter-se-ia a possibilidade de escolher diferentes tipos de equipamento para estes dois cen´arios. Para o primeiro cen´ario escolher-se-ia um equipamento mais acess´ıvel em termos de pre¸co mas com uma resolu¸c˜ao e qualidade que satisfa¸ca o prop´osito para o que foi idealizada. No segundo cen´ario teria que se exigir um dispositivo com qualidade profissional, dispositivo que tem um elevado valor de compra.Nas imagens seguintes encontram-se cˆamaras que para estes dois cen´arios e na pesquisa verificou-se que os pre¸cos para o primeiro cen´ario podem variar de 1000 a 3000 euros, mas no segundo cen´ario os pre¸cos podem subir at´e aos
40000 euros. ´E claro que existem muitas op¸c˜oes interm´edias que se poderiam adaptar ao sistema. Alguns exemplo de dispositivos de captura encontram-se em anexo.
No caso de conversores A/D existem imensos conversores no mercado, e a falta de decis˜ao acerca do m´etodo de transmiss˜ao e do dispositivo de captura inibe a escolha de alguns conversores para utilizar como mostra. A escolha deste dispositivo de hardware s´o puder´a ser feita ap´os a escolha do m´etodo de transmiss˜ao e dispositivo de captura, dispositivo de captura que pode trazer incorporado um conversor A/D.
5 Conclus˜ ao
Neste per´ıodo de conclus˜oes preliminares apenas se podem obter algumas considera¸c˜oes sobre alguns aspectos gerais. Verificou-se que apenas tecnolo- gias com grande d´ebito bin´ario poder˜ao ser utilizadas, eliminando `a partida algumas t´ecnicas de transmiss˜ao de dados, como por exemplo o Bluetooth.
O sinal captura em HD necessita de uma grande largura de banda e a codi- fica¸c˜ao desse sinal pode ser feita recorrendo a codecs com e sem perdas, que atrav´es de testes se identificar˜ao os que mais se adequam ao sistema. Pode-se concluir que o sistema final ser´a escolhido tendo em conta testes experimen- tais futuros, nos quais se testar˜ao todos os requisitos e com base em crit´erios de qualidade se concluir´a o melhor sistema para este projecto.
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7 Anexos
Em primeiro lugar as cˆamaras profissionais:
Figura 6: Cˆamara da JVC
Figura 7: Cˆamara da Panasonic
Em seguida cˆamaras de uso dom´estico com pre¸cos mais acess´ıveis:
Figura 8: Cˆamara Sony
Figura 9: Cˆamara JVC
Figura 10: Cˆamara Canon
